Распределение водных масс в гидросфере Земли (по М.И. Львовичу, 1986)

Форма нахождения	Объем 103 км3	Процент
Мировой океан	1 370 000	94,0
Подземные воды		4,0
Подземные воды
активного обмена		0,3
Ледники		1,7
Озера		0,02
Почвенная влага		0,01
Пары атмосферы		0,001
Речные воды	1,2	0,0001
Всего	1454 000	100,00

Соленость океана в основном определяется немногими химическими элементами. Главные элементы океанических вод представлены следующими ионами - катионы Na⁺, Mg²⁺; Са²⁺; анионы Сl^-, SO₄^2-, HCO₃^-.

Если всю сумму растворенных веществ в океане принять за 100%, то на перечисленные ионы приходится 95,8%, и только 4,2 на все остальные химические элементы вместе взятые. Соленость океанических вод меняется в сравнительно узких пределах от 34 до 36%о, если исключить прибрежные полузамкнутые водоемы тропических широт и места впадения рек с пресной водой. Средняя соленость океанической воды принимается в 35%о. Относительный состав морских солей, соотношения ионов оказываются величинами постоянными. Это обстоятельство отражает устойчивость динамического равновесия между количеством растворенных веществ, поступающих с поверхности континентов в океан, и их осаждением. Наиболее долго в океанической воде задерживаются весьма подвижные в биосфере натрий и хлор.

Важным звеном в круговороте воды на земном шаре являются ледниковые покровы, охватывающие 1,7% вод гидросферы. Они формируются за счет твердых атмосферных осадков, выпадающих на поверхность в полярных странах и в высокогорных системах. Сами атмосферные осадки формируются за счет испарения воды с поверхности морей и континентов и отличаются слабой минерализацией чаще всего 25 - 50 мг/л.

На поверхности континентов воды в соответствии с физико-географическими условиями воды образуют речные системы, озера, болота. Большая часть этих вод стекает в океан в виде рек и временных потоков, другая идет на пополнение запаса подземных вод - в первую очередь грунтовых. При инфильтрации воды соприкасаются с почвами, минералами и живыми организмами, частично растворяют их и минерализуются. Химический состав континентальных вод зависит от конкретных физико-географических и физико-химических условий. В отличие от океанической воды их состав более разнообразен. Однако соотношение главных ионов можно выразить при сравнении:

В морской воде:

Na^- > Mg²⁺ > Са²⁺; С1^1- > SO₄^{2 -} > HCO₃^{l -}

В материковых водах:

Mg²⁺ < Na¹⁺ < Са²⁺; Cl^1- < SO₄^2- < HCO₃^1-

Таким образом, несмотря на то, что главную минерализацию морских и материковых вод определяют одни и те же ионы, их соотношения оказываются обратными.

Химический состав рек подвергается сезонным колебаниям. Их максимальная минерализация наблюдается зимой во время питания грунтовыми водами, наименьшая - во время весеннего половодья, сезона дождей или питания от таяния ледников.

Минерализация воды озер зависит от их происхождения, истории и современных физико-географических условий. По степени минерализации материковые воды разделяют на пресные, с количеством растворенных веществ 0,5 - 1 г/л, солоноватые (1 - 10 г/л), соленые (10 - 50 г/л) и рассолы (50 - 150 г/л). В соленых озерах аридной зоны концентрация растворенных солей может превышать 200 г/л, причем состав воды находится в динамическом равновесии с твердыми солями, осажденными на дне водоема. В зависимости от содержания и преобладания главного аниона, различают природные воды: карбонатные (содовые), хлоридные, сульфатные и др. Наиболее часто в соленых озерах преобладают воды хлоридного и сульфатного типов.

Подземные воды сосредоточены преимущественно в осадочной оболочке Земли - стратисфере. По распространению они занимают второе место в гидросфере, составляя 4% всех ее вод. Подземные воды находятся в контакте с минералами горных пород в течение продолжительного времени и поэтому характеризуются различной минерализацией. Из природных подземных вод грунтовые воды залегают вблизи поверхности и участвуют в общем круговороте в биосфере. Одновременно они являются источниками питания рек в период, когда другие источники иссякают. Грунтовые воды пополняются за счет атмосферных осадков, содержащих растворенный кислород, который выступает в качестве одного из главных химических факторов гипергенеза, энергично окисляющий многие вещества в коре выветривания.

У значительной части подземных вод глубинных горизонтов стратисферы нарушен водообмен с вышележащими водоносными горизонтами и прервана связь с атмосферными водами. Поэтому воды такого типа обычно лишены свободного кислорода. Химический состав подземных вод во многом зависит от процессов, которые переводят одно вещество в раствор и одновременно выводят другое из раствора (ионный обмен, окислительно-восстановительные реакции, радиолиз воды).

К подземным водам относятся термальные воды, которые представляют собой жидкие горячие водные растворы, циркулирующие в глубинных зонах земной коры и участвующие в процессах миграции и отложения минеральных веществ. Обычно они обогащены летучими газовыми компонентами. Внешние проявления термальных вод - в виде фонтанирующих источников, обычных горячих источников и особых подводных выделений на дне океанов имеют место в вулканических зонах земной коры.

Нижняя граница гидросферы условно может быть принята но изотерме +100°С, которая залегает на разных глубинах в зависимости от конкретной геологической истории района. Однако, глубинная магма, изливающаяся на поверхность планеты, выделяет воду в виде водяных паров во время вулканических извержений. Главные летучие компоненты вулканических извержений, содержат Н₂О как обязательную составную часть. По некоторым представлениям, возможно, Мировой океан имеет вулканическое происхождение.

Согласно предварительным расчетам А.П. Виноградова в 1962 г., в мантии содержится 2 Χ 10 г воды, в то время как в видимой гидросфере ее количество 1,5 Χ 10²⁴ г. Таким образом, в мантии содержится в 13 раз больше воды, чем в гидросфере планеты. В свете современных данных такая оценка является слишком завышенной.

Различные природные воды нашей планеты, попадая в разные термодинамические условия, энергично мигрируют и, растворяя многие вещества внешних оболочек Земли, находятся в различных стадиях минерализации. Любая природная вода, как часть гидросферы представляет собой естественный раствор. Значение воды как мощного геохимического фактора миграции элементов в связи с ее физико-химическими свойствами в общем хорошо изучено.

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО

Живое вещество занимает ничтожную массу в пределах биосферы Земли и тем более в масштабе всего земного шара. Широкое распространение самого термина - живое вещество - связано главным образом с научными работами В.И. Вернадского. Он достаточно ясно показал, что все количество живых организмов Земли образует единое целое - живое вещество планеты. Жизнь в биосфере представляет собой выдающийся процесс, поглощающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение и круговорот едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Химический состав живого вещества может быть охарактеризован данными, представленными в таблице 9. Очевидно, что главными химическими элементами живого вещества являются немногие - Н, С, N, О,

Таблица 9

Участие химических элементов в составе организмов, в %

	Главные 1-60%	О, Н, С, N
Постоянные компоненты	Сопутствующие 0,05-1%	Na, Mg, P, S, C1, К, Са
	Следовые <0,05%	В, F, Si, Mo, I, Mn, Fe, Co, Cu, Zn
	Сопутствующие (побочные)	Al, Ti, V, Cr, Ni, As, Sr, Rb, Br
Переменные компоненты	Следовые	He, Li, Be, Ar, Se, Ga, Ge, Sc, V, Nb, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, La, W, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Ra, Th, U

комбинация которых дает все известные высокомолекулярные постройки живого вещества - углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. В целом жизнь использует прежде всего те атомы, которые наиболее пригодны для осуществления биохимических и физиологических функций.

Химические элементы в организмах обнаруживают некоторые специфические черты распространения. Они лишь отчасти соответствуют распространенности элементов земной коры, отчасти резко отличны. Так можно отметить, что в живом веществе более распространены элементы начала периодической системы Менделеева (легкие), а элементы середины и конца таблицы распространены менее. По характеру содержания и количественному распространению элементы в живом веществе могут быть разделены на постоянные и переменные (см. табл. 9). Постоянные элементы подразделяются на главные (О, Н, С, N), сопутствующие и следовые в зависимости от степени концентрации. При изучении распространения элементов в земной коре было установлено правило: четные элементы таблицы Менделеева более распространены, чем соседние нечетные (правило Гаркинса - Оддо). В живом веществе эти же закономерности проявляются достаточно отчетливо. Из главных четырех биофильных элементов - четные, углерод и кислород, резко преобладают.

Содержание химических элементов в живом веществе в общем отражает состав среды обитания с поправкой на растворимость соединений, куда входят эти элементы. Как отмечал А.Е. Ферсман: «С точки зрения таблицы Менделеева элементы биогенеза, относятся к верхним периодам».

Наиболее распространенные химические элементы в живых организмах отличаются большой подвижностью в биосфере. Они обычно составляют газы атмосферы, входят в состав природных вод, которые весьма подвижны. Образуют водно-растворимые соединения, которые представлены: НСО,^1-, NO₃^l-, SO₄^2-, Cl^1-, РО₄^3- (главными анионами гидросферы) и Na¹⁺, K¹⁺, Са²⁺, Мо²⁺ (главными катионами гидросферы и земной коры). Количество массы живого вещества нашей планеты оценивалось разными авторами с различной точностью и в целом представляло трудоемкое исследование. Общая масса живого вещества на Земле впервые была подсчитана В.И. Вернадским в 1927 г. - 10¹⁵ тонн. Наиболее полная сводка по распределению масс живого вещества в биосфере была представлена в 1971 г. Н.И. Базилевич, Л.Е. Родиным и Н.Н. Розовым. Данные этих исследователей приведены в таблице 10.

Таблица 10. Биомасса организмов Земли

Среда обитания	Группа организмов	Масса (тонн)	Соотношение, %
Континенты	Зеленые растения, животные и микроорганизмы	2,4 Χ 1012 0,02 Χ 1012	99,2 0,8
	Итого	2,42 Χ 1012	100,0
Океаны	Зеленые растения, животные и микроорганизмы	0,0002 Χ 1012 0,0030 1012	6,3 93,7
	Итого	0,0032 Χ 1012	100,0
	Всего	2,4232 Χ 1012

 

Как видно из таблицы, масса живого вещества на поверхности континентов в 800 раз превышает биомассу Мирового океана. Кроме того, на поверхности континентов растения по своей массе резко преобладают над животными и микроорганизмами. В океане наблюдается обратное соотношение. Это обстоятельство связано главным образом с тем, что в морской среде существуют наиболее благоприятные условия для питания животных. Мельчайшие растительные организмы фитопланктона в освещенной зоне океанов и морей моментально поедаются морскими животными, и переход органических веществ из растительной формы в тело животных совершается исключительно быстро.

Живое вещество занимает ничтожную долю массы всего вещества биосферы, что видно при следующем сравнении:

	Масса в тоннах	Сравнение
Живое вещество	2,4 Χ 1012
Атмосфера	5,15 Χ 1015
Гидросфера	1,5 Χ 1018
Земная кора	2,8 Χ 1019

Однако по своему воздействию на всю окружающую среду живое вещество занимает особое место в биосфере и качественно резко отличается от всех других оболочек земного шара, поскольку живая материя отличается от неорганической - косной.

Население биосферы в видовом и морфологическом отношении чрезвычайно разнообразно. Общее число видов растений, животных и микроорганизмов превышает три миллиона с тенденцией значительного увеличения в будущем по мере изучения различных, еще неизвестных, малых организмов и насекомых. Весь органический мир нашей планеты со времен Аристотеля традиционно подразделялся на царство растений и царство животных. Однако после 1960 г. изучение структуры клеточной организации живых существ позволило произвести более обстоятельную систематизацию.

Весь мир живых существ в настоящее время подразделяют на два крупных царства: прокариотов и эукариотов. Самыми низкоорганизованными живыми существами являются те, у которых отсутствует истинное ядро в клетке, ДНК располагается в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Эти организмы получили название прокариотов (Procaryota - доядерные). У остальных одноклеточных и многоклеточных организмов в клетке находится настоящее ядро, ограниченное мембраной от цитоплазмы. Такие организмы названы эукариотами (Eucaryota - ядерные). Кроме разделения на ядро и цитоплазму, у них имеются также митохондрии, а у многих пластиды и сложные жгутики. Оказалось, что различия между прокариотами и эукариотами более существенные и глубокие, чем, например, между высшими животными и высшими растениями (и те и другие эукариоты). Дальнейшая систематизация эукариотов выявила ряд спорных вопросов. Царство животных выделено было давно как царство гетеротрофных организмов. Несколько сложнее обстоит вопрос о систематическом положении грибов. Еще в XIX в. Г. де-Фриз предложил выделить их в самостоятельное царство грибов. В настоящее время эта тенденция укрепилась и разделяется многими исследователями. Основанием для такого выделения является происхождение грибов от простейших животных, что подтверждается их биохимическими особенностями, химическим составом и характером размножения. Наиболее вероятно происхождение грибов от амебоидных двужгутиковых простейших.

Таким образом, живой органический мир нашей планеты подразделяется на четыре царства: доядерных (прокариотов), растений, грибов и животных (см. рис. 6)

Рис. 6. Схема классификации живых организмов, или четыре царства органического мира. Двойной линией обозначены надцарства, обычной линией царства, в кругах подцарства.

Наиболее характерные особенности основных подразделений органического мира биосферы представляются в следующей последовательности.

Прокариоты - подразделяются на подцарство бактерий и сине-зеленых водорослей. Бактерии представляют собой наиболее распространенные в биосфере микроорганизмы. Самые мелкие шаровидные имеют диаметр менее 0,1 мкм. Обычно же подавляющее число бактерий имеет форму прямых и изогнутых палочек толщиной порядка 0,5 - 1 мкм и длиной 2 - 3 мкм. Среди них встречаются как автотрофные, так и гетеротрофные виды. Фотосинтезирующие бактерии образуют органические вещества из окружающих неорганических веществ под действием солнечного излучения. К ним относятся цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии. Существуют также гетеротрофные бактерии, которые потребляют только органические вещества. Среди них выделяются бактерии сапрофиты, потребляющие органические вещества мертвых тканей и бактерии паразиты, развивающиеся только в живых организмах, часто как возбудители заразных болезней. Бактерии распространены в биосфере повсеместно, но особенно много их в почвах. Обычно почвы содержат 200 - 500 млн. бактерий в 1 г., а богатые почвы (черноземы) - два и более миллиарда в 1 г. В целом микрофлора почв очень разнообразна. В ней встречаются представители разных физиологических групп бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотофиксирующие, серобактерии и др.

Преобладающее большинство бактерий - гетеротрофные организмы и лишь немногие из них хемотрофны. Кроме одноклеточных существуют и нитчатые многоклеточные.

Растения - чрезвычайно разнообразные по величине и строению живые организмы биосферы, общее число видов которых, по оценке разных ботаников, приближается к 500 000. Наиболее распространенные типы растений представлены в таблице 11. Выделяются как одноклеточные, так и многоклеточные формы. Как правило, имеют автотрофное питание, связанное с фотосинтезом. Наиболее обширную группу растений составляют водоросли - низшие споровые растения, содержащие в своих клетках хлорофилл и обитающие преимущественно в воде. У водорослей отсутствует расчленение на стебли, листья и корни. В целом их тело обозначается как слоевище или таллом. Водоросли - первые организмы, которые в массовом количестве начали осваивать фотосинтез с использованием воды и углекислоты.

Одноклеточные водоросли составляют основную часть фитопланктона. Они способны усваивать многие химические элементы, растворенные в морской воде.

Более высокоорганизованные группы растений: лишайники, мхи, папоротникообразные, голосеменные и покрытосеменные - являются преимущественно обитателями суши. Наиболее распространенные растения относятся к покрытосеменным - цветковым, насчитывающими 250 тысяч видов. Они произрастают по всему земному шару.

Растительность - важное звено биосферы. Она определяет внешний вид ландшафта и его красочность. Растительность суши является главным производителем свободного кислорода в атмосферу.

Грибы - низшие организмы, лишенные хлорофилла. Насчитывают около 100 тысяч видов. По размерам варьируют от мелких микроскопических организмов до крупных дождевиков. Тело подавляющего большинства грибов состоит из тонких нитчатых образований - гиф. Сочетание их образует грибницу или мицелий. У низших грибов мицелий имеет неплотное строение, у высших он многоклеточный.

Таблица 11